成果報告書詳細
管理番号20130000000978
タイトル平成19年度-平成23年度成果報告書 水素貯蔵材料先端基盤研究事業 水素と材料の相互作用の実験的解明 (委託先名 財団法人高輝度光科学研究センター)
公開日2014/5/9
報告書年度2007 - 2011
委託先名公益財団法人高輝度光科学研究センター
プロジェクト番号P07002
部署名新エネルギー部
和文要約 本開発項目では、基礎研究を通して、高性能水素貯蔵材料開発へ指針を示すことが最終目標である。材料の基礎物性や特性発現のメカニズム、水素貯蔵の基本原理、水素と材料の相互作用などの基礎研究から明らかになる新しい知見は、新規開発される水素貯蔵材料の設計構築や材料創出に対して大きな役割を担う。我々は、高圧力技術と放射光を利用した最先端のその場観察測定手法を駆使して、多岐にわたる圧力温度領域において、水素吸蔵物質、特に高密度金属水素化物の結晶構造や電子状態、磁気的性質の物性解明に関する研究を推進してきた
 新規材料開発のキーテクノロジーとしての材料評価・観察技術の研究環境を整備するため、放射光施設SPring-8において、放射光精密X線構造解析と同時物性測定技術を開発し、最先端のその場観察測定手法を確立した。この手法確立により、構造変化をその場観察および動的観察(時間的変化の観察)することが可能となり、いくつかの金属—水素システムにおいて、従来予想されなかった新たな知見が取得された。金属水素化物をはじめとする最先端の水素貯蔵材料開発研究を進展するひとつの基盤技術として、X線構造解析と同時複合測定を組み合わせたその場観測技術をはじめ、放射光の優れた特性を活かした最先端解析技術を活用することにより、プロセス技術開発への発展的利用も期待できる。
 高圧力技術を利用した高水素圧環境での実験は、高濃度水素化物も含め金属—水素系を全組成領域で系統的に調べることができる。また、物質の未知の性質にアクセスできるため、新材料の可能性を追求する有効性と潜在力の両面を有する唯一の手法である。本開発項目では、低温高圧実験装置やレーザー試料加熱装置と関連させた高圧その場X線回折実験を展開することにより、新奇金属水素化物の合成及び未知結晶相や構造相転移の発見(hcp-FeHx、LiHx、PtHx等)、金属水素化物での準安定構造の固定化(fcc-FeHx)と構造多形による物性変化の発見(fcc、hcp、dhcp-FeHxの磁気モーメントの格子間距離依存性と圧縮特性の異常)、EuHxを介した希土類金属水素化物に関するユニバーサルルール構築、など多岐にわたる材料の新しい知見や基礎物性情報が取得された。
 既知の理論や知見の蓄積をその指導原理とする研究も重要であるが、新奇高密度金属水素化物の合成などの例に見られるように、高圧力技術の利用により予知しえなかった新物質の発見がなされた。偶然性とも言える重要な要素が基礎研究、特に高圧力研究には存在するので材料探索法としての高圧力技術の重要性を示す事が出来た。また、本開発項目の遂行してきたように、金属の水素化に伴い発現する物性を積極的に利用することにより、水素貯蔵と放出を制御する技術開発などに応用可能であることが明らかになった。より実用的で具体的な高性能水素貯蔵材料開発を視野に入れた基礎研究へ移行するために、開発された高圧力技術と放射光計測手法に関する知見の活用を提示したい。
英文要約In this project, the final goal is to provide guidelines for development of high-performance hydrogen storage materials in the future energy technology through fundamental studies. High-pressure experiments allow us to investigate systematically various metal hydrides in metal-hydrogen systems because high hydrogen pressure induces increase of the hydrogen concentration in host metals. In addition, extreme environments often provide us unknown nature of materials. High-pressure technique can serve as a unique tool to synthesize new hydrogen-storage material and to design a material with improving performance or high functionality for energy applications.

For the purpose of creating research environments in characterization of potential hydrogen-storage materials as key technology development, we first developed simultaneous measurement system suitable for metal hydrides in combination with synchrotron radiation X-ray diffraction (XRD), and then established the advanced in-situ observation method at SPring-8. As one of the basic technologies to advance the research of new hydrogen-storage materials, synchrotron-based X-ray techniques, for example, in-situ observation using multiple techniques in combination with XRD, can be expected to contribute to processing technology as well as material design.

In our work, we acquired a wide variety of knowledge and information about some metal-hydrogen systems through in-situ XRD under extreme conditions of high-pressures and low-temperatures with a cryostat or high-pressures and high-temperatures with a laser-heating system. Specific examples include (1) synthesis of novel crystalline compounds and discovery of structural phase transition in metal-hydrogen systems (hcp-FeHx, LiHx, PtHx etc.), (2) expansion of metastable field down to the ambient temperature at high pressures (fcc-FeHx) and finding of systematic physical property changes of polymorphism (i.e., the relationship between interatomic distance and magnetic moment in fcc, dhcp, hcp-FeHx and its associated anomalous compression behavior), and (3) establishment of universal rule in rare-earth metal hydrides by the discovery of new EuHx phases.

We found that hydrogen has significantly influenced on material properties through changes in electronic and magnetic structures by hydrogenation reaction and that hydrogen-induced new functional properties in materials has potential applications for high-performance hydrogen-storage materials. We suggest that the high-pressure experimental approach in combination of synchrotron techniques can be utilized to elucidate the mechanisms for generating material properties of hydrogen-storage materials under a wide range conditions, and that this approach should hold great potential for new practical high-performance hydrogen-storage materials for future energy technology.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る